(57)【要約】【課題】氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システム及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の水素発生システムは、水１ｂとの反応により水素１ｃを発生する水素発生材料１ａを収容する水素発生材料収容容器１と、水１ｂを収容する水収容容器２と、水収容容器２内の水１ｂを水供給管１２を介して水素発生材料収容容器１内に供給するポンプ３と、ポンプ３による水供給の停止後、水供給管１２内に残留する水を除去するブロワー５と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との反応により水素を発生する水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器と、
水を収容する水収容容器と、
前記水収容容器内の水を水供給路を介して前記水素発生材料収容容器内に供給する水供給部と、
前記水供給部による水供給の停止後、前記水供給路内に残留する水を除去する残留水除去部と、を含むことを特徴とする水素発生システム。
【請求項２】
前記残留水除去部は、前記水供給路内に気体を供給する気体供給部を含む請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項３】
前記残留水除去部は、前記水供給路に力学的運動を加える機械的動作部を含む請求項１または請求項２に記載の水素発生システム。
【請求項４】
前記残留水除去部は、前記水供給路を加熱する加熱部を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生システム。
【請求項５】
前記水供給路の少なくとも一部の形状が一時的に変化する請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素発生システム。
【請求項６】
前記水供給部は、前記水供給路内を流通する水の圧力を変化させるための圧力可変部を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素発生システム。
【請求項７】
前記圧力可変部は、前記水供給部による水供給が停止する直前に水の圧力を上昇させる請求項６に記載の水素発生システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか1項に記載の水素発生システムと、前記水素発生システムから発生した水素を用いて発電する燃料電池とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生システム及び燃料電池システムに関し、詳しくは、水との反応により水素を発生する水素発生材料を用いた水素発生システム及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、このリチウム二次電池は、一部のコードレス機器に対して十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
上記問題の解決に向けて、例えば、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料及び酸素の供給さえ行えば、連続的に使用することが可能である。電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料（水素、メタノールなど）を用いる固体高分子型燃料電池は、リチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度が期待できる電池として注目されている。
【０００４】
このような燃料電池に用いる燃料に関しては、水素、メタノールなどが提案され、種々開発が行われているが、高出力が期待できる点で、水素を燃料とする燃料電池が注目されている。
【０００５】
燃料電池に水素を供給する方法としては、例えば、水素源となる水素発生材料と水とを反応させて水素を発生させる水素発生システムから発生した水素を燃料電池に供給することが検討されている。このような水素発生システムは、例えば、水を収容する水収容容器と、水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器とを備え、水収容容器内の水を水供給路を介して水素発生材料収容容器へ供給し、水素発生材料収容容器内で水と水素発生材料とを反応させることにより水素を発生させ、発生した水素を水素排出路を介して燃料電池に供給する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０６７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の水素発生システムは、上述したように、水収容容器の水を水素発生材料収容容器に導く水供給管を備えているが、この水供給管は、通常、細い径のものが用いられているため、水素発生材料収容容器への水供給を停止したとき、毛細管現象により、水供給管の内部に水が残留しやすい。そのため、燃料電池システムが発電停止中に氷点下の低温環境に放置されると、水供給管内の残留水が凍結し、燃料電池システムの再起動時に水素発生材料への水供給に支障を生ずる問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、氷点下の低温環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システム及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素発生システムは、水との反応により水素を発生する水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器と、水を収容する水収容容器と、前記水収容容器内の水を水供給路を介して前記水素発生材料収容容器内に供給する水供給部と、前記水供給部による水供給の停止後、前記水供給路内に残留する水を除去する残留水除去部と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素発生システムと、前記水素発生システムから発生した水素を用いて発電する燃料電池とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システム及び燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１の水素発生システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態２の水素発生システムを示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態３の水素発生システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の水素発生システムは、水との反応により水素を発生する水素発生材料を収容する水素発生材料収容容器と、水を収容する水収容容器と、上記水収容容器内の水を水供給路を介して上記水素発生材料収容容器内に供給する水供給部と、上記水供給部による水供給の停止後、上記水供給路内に残留する水を除去する残留水除去部と、を備えることを特徴とする。これにより、水供給路内に残留する水を除去でき、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システムを実現できる。
【００１４】
上記残留水除去部は、上記水供給路内に気体を供給する気体供給部を備えることが好ましい。この場合、水収容容器から水素発生材料収容容器への水供給が停止した後に、気体供給部を用いて十分な流量の気体を水供給路内に流すことにより、水供給路内の残留水を気体とともに水供給路外へ排出できる。流す気体としては、空気や窒素などが挙げられる。
【００１５】
上記残留水除去部は、上記水供給路に力学的運動を加える機械的動作部を備えることが好ましい。この場合、水収容容器から水素発生材料収容容器への水供給が停止した後に、機械的動作部を用いて水供給路に力学的運動を加えることにより、水供給路の内側に付着している残留水の吸着力を低下させ、水供給路内の残留水を水供給路外へ排出できる。機械的動作部としては、例えば、アクチュエータが挙げられる。アクチュエータを、水供給路自体、あるいは水供給路を支持する部分に取付けて駆動させると、水供給路に例えば振動が付与され、水供給路内の残留水を排出できる。なお、アクチュエータは、電動で駆動させるものであっても、空気圧や油圧などを利用するものであってもよい。また、アクチュエータ以外にも、超音波発生部を用いて水供給路に超音波を付与することにより、水供給路を振動させるようにしても良い。
【００１６】
上記残留水除去部は、上記水供給路を加熱する加熱部を備えることが好ましい。この場合、加熱部によって水供給路を加熱することにより水供給路内の温度が上昇するため、水供給路の内側に付着している残留水の吸着力を低下させ、水供給路内の残留水を水供給路外へ排出できる。また、水供給路内の温度が高温になることで、残留水の気化も活発となるため、水供給路内の残留水の除去に貢献できる。ただし、水供給路の加熱により、水素発生材料収容容器内の温度も上昇すると、当該容器内における水素発生反応を促進してしまう可能性もあるため、このような副作用が表れないように加熱温度を制御する必要がある。
【００１７】
上記水供給路の少なくとも一部の形状は、一時的に変化することが好ましい。例えば、上記機械的動作部による力学的運動に伴い、水供給路の形状を、当該水供給路内の残留水が重力に従って落ちやすくなるように変化させることや、水素発生材料と水との反応による水素発生材料収容容器内の温度の上昇に伴い、水供給路の下流部（注水口付近）を膨張させて毛細管現象を防ぐこととが考えられる。このように、一時的に水供給路の形状を変化させることで水供給路内の残留水の量を低減させることができるため、上記残留水除去部による水供給路内の残留水の除去に貢献できる。ただし、水供給路の形状は、機械的動作終了後あるいは温度が低温になったときには、元の形状に戻っていることが好ましい。このような形状変化が可能な水供給路の材質としては、樹脂などの伸縮可能な材質や、形状記憶合金などが挙げられる。
【００１８】
上記水供給部は、上記水供給路内を流通する水の圧力を変化させるための圧力可変部を備えることが好ましい。例えば、水素発生材料収容容器への水供給を停止する直前に、水供給路内を流れる水量が多くなるように圧力可変部を用いて制御することにより、水供給路内における水圧が通常の水圧よりも高くなるので、この状態で水供給を停止すると、水供給路内に水が残留しにくくなる。よって、上記残留水除去部による水供給路内の残留水の除去に貢献できる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の水素発生システムと、上記水素発生システムから発生した水素を用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とする。これにより、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い燃料電池システムを実現できる。
【００２０】
以下、本発明の水素発生システム及び燃料電池システムについて、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る水素発生システムについて説明する。図１は、本実施形態の水素発生システムの概略構成を示す図である。
【００２２】
本実施形態の水素発生システムは、図１に示すように、水素発生材料収容容器１と、水収容容器２と、水供給部として例えばポンプ３と、水供給動作制御部４と、気体供給部として例えばブロワー５と、残留水除去動作制御部６と、気体／液体切替部７とを備えている。本実施形態における残留水除去部は、ブロワー５、残留水除去動作制御部６、及び気体／液体切替部７からなる。
【００２３】
水素発生材料収容容器１は、水素発生材料１ａを収容し、水供給管１２及び水素排出管１３が設けられた密閉蓋１１により密閉される。なお、水素発生材料収容容器１の材質や形状は、水素発生材料１ａを収容可能で、水供給管１２及び水素排出管１３以外から液体や水素が漏れない材質や形状であれば特に限定されない。具体的な容器の材質としては、水及び水素が透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。容器の形状としては、角柱状、円柱状などを採用できる。
【００２４】
水収容容器２は、水１ｂを収容可能であれば特に制限はなく、例えば、従来から知られている水素製造装置と同様の水を収容するタンクなどを使用できる。また、水収容容器２に収容される水１ｂは、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などのいずれであってもよい。すなわち、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生材料１ａとの反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００２５】
ポンプ３は、水収容容器２内の水１ｂを、水供給路である水供給管１２を介して水素発生材料収容容器１へ供給する。水供給動作制御部４は、ポンプ３による水供給動作を制御する。
【００２６】
ブロワー５は、気体１ｄを送風する。気体１ｄとしては、例えば、空気や窒素が挙げられる。残留水除去動作制御部６は、ブロワー５及び気体／液体切替部７を制御する。気体／液体切替部７は、水供給管１２に、気体１ｄを流すか、水１ｂを流すかを選択的に切り替える。
【００２７】
本実施形態の水素発生システムで用いられる水素発生材料１ａとしては、水との反応により水素を発生するものであれば良い。例えば、アルミニウム、マグネシウム及びそれらの合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属材料を用いることができる。この金属材料と水とが反応して、水素が発生する。特に、上記金属材料が、６０μｍ以下の粒径の粒子を８０質量％以上含むものである場合、水との反応性が向上するため好ましい。
【００２８】
また、水素発生材料１ａは、常温（２０℃〜３０℃の範囲の温度）で水と反応して発熱する発熱材料をさらに含むことが好ましい。水素発生材料１ａが発熱材料を含む場合、供給される水が低温であっても発熱材料が水と反応して発熱し、金属材料と水との水素発生反応が促進され、迅速に水素を発生させることができるからである。また、金属材料と発熱材料との合計質量中、金属材料の割合が、８５質量％超で９９質量％以下であることが好ましい。金属材料の量が少なすぎると、水素発生量が低下し、発熱材料の量が多すぎると、温度が上昇しすぎて水素発生反応を制御するのが難しくなるからである。
【００２９】
水素発生材料１ａに含まれる発熱材料としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム及び硫酸カルシウムよりなる群から選択される少なくとも１種の化合物を使用できる。
【００３０】
次に、本実施形態の水素発生システムの動作について図１を参照しながら説明する。
【００３１】
水素を発生させるとき、水供給動作制御部４によりポンプ３を作動させる。すると、水収容容器２内の水１ｂは、ポンプ３により吸引されて水供給管１２内を移動し、水素発生材料収容容器１に供給される。水素発生材料収容容器１内では、水素発生材料１ａと水１ｂとが反応し、水素１ｃが発生する。発生した水素１ｃは、水素排出管１３を介して、例えば燃料電池などの水素を必要とする機器に供給される。
【００３２】
水素の発生を停止させるとき、水供給動作制御部４によりポンプ３による水供給動作を停止させるともに、水供給動作が停止したことを水供給動作制御部４から残留水除去動作制御部６に通知する。そして、残留水除去動作制御部６は以下のようにして、残留水除去動作を行う。
【００３３】
まず、残留水除去動作制御部６によって、気体／液体切替部７を、水供給管１２内を気体１ｄが流通可能な状態に切り替え、ブロワー５を駆動させる。すると、ブロワー５から気体１ｄが水供給管１２内に送風される。水供給管１２の内側に付着している残留水は、ブロワー５から送風された気体１ｄによって水供給管１２の下流側へと移動し、気体１ｄとともに水供給管１２外へ排出される。
【００３４】
本実施形態の水素発生システムによれば、水素発生材料収容容器１への水１ｂの供給を停止した後、気体１ｄを水供給管１２内に流すことにより、水供給管１２の内側に付着している残留水を除去できるため、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システムを実現できる。
【００３５】
（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２に係る水素発生システムについて説明する。図２は、本実施形態の水素発生システムの概略構成を示す図である。図２において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
本実施形態の水素発生システムは、図２に示すように、水素発生材料収容容器１と、水収容容器２と、水供給部として例えばポンプ３と、水供給動作制御部４と、残留水除去動作制御部６と、機械的動作部として例えばアクチュエータ８とを備えている。本実施形態における残留水除去部は、残留水除去動作制御部６及びアクチュエータ８からなる。
【００３７】
アクチュエータ８は、例えば電気エネルギーを力学的運動として例えば振動に変換する装置である。ここでは、アクチュエータ８は、密閉蓋１１の上面に設置され、水供給管１２に振動を与える。
【００３８】
次に、本実施形態の水素発生システムの動作について図２を参照しながら説明する。なお、ポンプ３による水供給動作については上記実施形態１と同じであるため、ここでは残留水除去動作についてのみ説明する。
【００３９】
まず、残留水除去動作制御部６によりアクチュエータ８を駆動させる。すると、アクチュエータ６によって水供給管１２に振動が付与される。振動が付与された水供給管１２の内側に付着している残留水の吸着力は低下し、水供給管１２内の残留水は、重力に従って水供給管１２の下流側へと移動し、水供給管１２外へ排出される。
【００４０】
本実施形態の水素発生システムによれば、水素発生材料収容容器１への水１ｂの供給を停止した後、例えばアクチュエータ８によって水供給管１２に力学的運動を加え、水供給管１２を例えば振動させることにより、水供給管１２の内側に付着している残留水の吸着力を低下させ、その残留水を水供給管１２外へ排出できる。よって、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システムを実現できる。
【００４１】
（実施形態３）
以下、本発明の実施形態３に係る水素発生システムについて説明する。図３は、本実施形態の水素発生システムの概略構成を示す図である。図３において、図１及び２と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
本実施形態の水素発生システムは、図３に示すように、水素発生材料収容容器１と、水収容容器２と、水供給部として例えばポンプ３と、水供給動作制御部４と、気体供給部として例えばブロワー５と、残留水除去動作制御部６と、気体／液体切替部７と、機械的動作部として例えばアクチュエータ８と、を備えている。本実施形態における残留水除去部は、ブロワー５、残留水除去動作制御部６、気体／液体切替部７、及びアクチュエータ８からなる。
【００４３】
次に、本実施形態の水素発生システムの動作について図３を参照しながら説明する。なお、ポンプ３により水供給動作については上記実施形態１と同じであるため、ここでは残留水除去動作についてのみ説明する。
【００４４】
まず、残留水除去動作制御部６により、気体／液体切替部７を、水供給管１２内を気体１ｄが流通可能な状態に切り替え、ブロワー５及びアクチュエータ８を駆動させる。すると、ブロワー５から気体１ｄが水供給管１２内に送風されるともに、アクチュエータ８によって水供給管１２に振動が付与される。水供給管１２の内側に付着している残留水は、ブロワー５から送風された気体１ｄによって水供給管１２の下流側へと移動し、気体１ｄとともに水供給管１２外へ排出される。このとき、水供給管１２の振動により水供給管１２の内側に付着している残留水の吸着力は低下し、水供給管１２内の残留水は上記気体１ｄによって排出されやすい状態となっている。これにより、残留水の除去効果をより高めることができる。
【００４５】
本実施形態の水素発生システムによれば、水素発生材料収容容器１への水供給を停止した後、気体１ｄを水供給管１２内に流すとともに、例えばアクチュエータ８によって水供給管１２に力学的運動を加えて水供給管１２を例えば振動させることにより、水供給管１２の内部に付着している残留水の吸着力を低下させつつ、その残留水を気体１ｄにより水供給管１２外へ排出できるため、水供給管１２内の残留水の除去を効率よく行うことができる。よって、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システムを実現できる。
【００４６】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る燃料電池システムは、上記実施形態１〜３の水素発生システムと、この水素発生システムから発生した水素を用いて発電する燃料電池とを備える。これにより、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な信頼性の高い水素発生システムを搭載した燃料電池システムを提供することができる。このような燃料電池システムは、氷点下の使用環境においても安定に動作可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の水素発生システムは、氷点下の使用環境においても安定に動作可能な水素発生システムとして、産業上幅広く利用可能である。特に、本発明の水素発生システムを用いた燃料電池システムは、ポータブル電源に適している。
【符号の説明】
【００４８】
１  水素発生材料収容容器
１１  密閉蓋
１２  水供給管
１３  水素排出管
２  水収容容器
３  ポンプ
４  水供給動作制御部
５  ブロワー
６  残留水除去動作制御部
７  気体／液体切替部
８  アクチュエータ
１ａ  水素発生材料
１ｂ  水
１ｃ  水素
１ｄ  気体
【図１】
2010269991.tif 000003
【図２】
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【図３】
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